Die Methanogenese (auch Methanbildung) ist die Bildung von Methan durch den Stoffwechsel von Lebewesen, die als Methanogene oder Methanbildner bezeichnet werden. Sie findet – bis auf wenige Ausnahmen – größtenteils in der letzten Stufe des anaeroben, mikrobiellen Abbaus von Biomasse statt. Dabei setzen die meisten Methanbildner Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff zu Methan um. Auch aus einfachen organischen C1-Verbindungen wie Ameisensäure, Methanol und Methylaminen wird Methan gebildet. Essigsäure wird durch Essigsäure-spaltende (acetoklastische) Methanbildner in Methan und Kohlenstoffdioxid umgewandelt. Andere bakterielle Gärungsprodukte wie Milchsäure, Propionsäure und Buttersäure können dagegen nicht als Ausgangsstoffe für die Methanbildung verwendet werden.
In der Literatur wird die Methanogenese überwiegend als spezifischer, anaerober Stoffwechselweg von Archaeen behandelt, als eine spezielle Form der anaeroben Atmung. Diese nutzen dabei die exergone (energiefreisetzende) Methanogenese als Energiequelle.Michael T. Madigan, John M. Martinko: Brock – Mikrobiologie. 11., überarbeitete Auflage. Übersetzung von Brock – Biology of microorganisms 11. ed. ins Deutsche. Pearson Studium, München 2006, ISBN 3-8273-7187-2. Daher fokussiert der Artikel die anaerobe Methanfreisetzung in Archaeen.
Bedeutung Die Methanogenese ist ein zentraler Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs der Erde, da die entstehenden Abbauprodukte, Methan und ggf. Kohlenstoffdioxid, wieder in diesen Kreislauf gelangen. Da diese Gase, insbesondere Methan, wirksame Treibhausgase sind, hat die Methanogenese auch bei der Vermeidung der globalen Erwärmung an Bedeutung gewonnen. Vermutlich spielt die biotische Methanproduktion auch eine Rolle bei der Entstehung von Methanhydrat, dessen wirtschaftliche Nutzung von Interesse ist.
Eine wichtige Bedeutung hat die Methanogenese im Ablauf und Ende der anaeroben Nahrungskette, da sie das Wachstum vieler syntropher Bakterien überhaupt erst ermöglicht. Diese sekundären Gärer gewinnen ihre Energie aus der Umsetzung von Lactat, Propionat, Butyrat und einfachen organischen Verbindungen, wobei neben Kohlenstoffdioxid und Acetat auch Wasserstoff entsteht. Aus thermodynamischen Gründen sind jedoch diese Vergärungsreaktionen nur möglich, wenn der dabei entstehende Wasserstoff rasch wieder verbraucht wird und der H2-Partialdruck nicht über 100 Pa ansteigt. Das wird durch in enger Nachbarschaft lebende Methanogene gewährleistet, die diesen Wasserstoff wiederum für die Methanogenese benötigen. Der Transfer von Wasserstoff zwischen syntrophen Bakterien und den Archaeen, also zwischen verschiedenen Spezies, wird auch als Interspezies-Wasserstofftransfer bezeichnet.Georg Fuchs (Hrsg.): Allgemeine Mikrobiologie, begründet von Hans-Günter Schlegel. 8. Auflage. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York 2007, ISBN 978-3-13-444608-1, S. 397.
Da Methanogene, vergesellschaftet mit syntrophen Bakterien, auch im menschlichen Verdauungstrakt vorkommen, hat dort die Methanogenese einen Einfluss auf die Verdauung.Joan L. Slonczewski, John W. Foster: Mikrobiologie: Eine Wissenschaft mit Zukunft. 2. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Berlin, Heidelberg 2012, ISBN 978-3-8274-2909-4, S. 854. Etwa 10 % der Anaerobier im Darm des Menschen sind Methanogene der Arten Methanobrevibacter smithii und Methanosphaera stadtmanae. Diese nutzen die beiden Produkte bakterieller Gärungen Wasserstoff und Formiat für die Methanogenese. Eine hohe Konzentration an Wasserstoff hemmt die ATP-Erzeugung anderer Bakterien. M. smithii baut unter Methanbildung auch Methanol ab, das für den Menschen toxisch ist. Daher haben die Methanogenen einen positiven Einfluss auf die menschliche Darmflora. Ob diese auch beeinflussen, wie viel Energie der Mensch aus der Nahrung aufnehmen kann, ist noch Gegenstand der Forschung.
Mit 3-Nitrooxypropanol (Internationaler Freiname: Abrucomstat) wurde im Februar 2022 ein Enzyminhibitor in der Europäischen Union zugelassen, der die Produktion von Methan in Rindern um etwa 30 % reduziert.
Vorkommen mini|hochkant=1|Im Pansen von Rindern kommen Methanogene vor.
mini|Methanogenese im Kuhmagen mini|Video: Methanogenese bei Kühen Die Methanbildung kommt in der Natur in überwiegend anaeroben Milieus vor, in denen ein Abbau von Biomasse stattfindet. Das können beispielsweise Sedimente von Seen und des Meeres, der Pansen von Rindern, der Darm von Termiten und Menschen, Reisfelder oder Sümpfe sein. Sie sind ferner mit Bakterien vergesellschaftet, um deren Stoffwechselprodukte zu nutzen, wie beim Abbau von nassem Holz bei Clostridium butyricum. Auch Kläranlagenschlammbecken als künstliche Anlagen für den biologischen Abbau sind mögliche Orte für eine Methanogenese. In diesen Habitaten herrschen moderate, für mesophile Organismen geeignete Temperaturen. Methanogene wurden auch in Böden entdeckt, die Sauerstoff enthalten; sie können mit dem damit verbundenen oxidativen Stress umgehen. Die Methanogenese tritt auch in Umgebungen mit extrem hohen und niedrigen Temperaturen (z. B. Methanogenium frigidum) sowie bei hohen Salz- oder Säuregehalten auf, beispielsweise in geothermalen Systemen. In allen Fällen müssen in diesen Habitaten die Konzentrationen von Sulfat, Nitrat, Mangan(IV)- und Eisen(III)-Ionen niedrig sein, da anderenfalls Bakterien diese Stoffe als externe Elektronenakzeptoren in einer anaeroben Atmung verwenden und in dieser Atmung die für Methanogene nutzbaren Elektronendonatoren verbrauchen. Die Redoxvorgänge mit diesen Elektronenakzeptoren laufen nämlich bevorzugt vor der Methanogenese ab und den Methanogenen wird dadurch ihre Energiequelle und damit ihre Lebensgrundlage entzogen. Die Methanproduktion in Meeren ist daher vergleichsweise gering, da die in den Meeren gelösten Sulfate in den Sedimenten von sulfatreduzierenden Bakterien unter Verbrauch von Wasserstoff zu Schwefelwasserstoff umgesetzt werden (Desulfurikation).
Unter anaeroben Bedingungen ist Kohlenstoffdioxid, das Substrat der meisten Methanogenen, selten limitierend, da es fortlaufend durch Vergärungsreaktionen durch vergesellschaftete Bakterien freigesetzt wird. Die meisten Methanogenen bevorzugen einen neutralen pH-Wert, Ausnahmen sind beispielsweise Methanocalculus alkaliphilus und Methanosalsum natronophilum, die im Basischen bei einem pH-Wert von 9,5 optimal wachsen sowie Methanoregula booneii, dessen pH-Optimum im Sauren bei 5,1 liegt. Methanosalsum natronophilum toleriert bei gleichhohem pH-Wert einen höheren Salzgehalt als Methanocalculus alkaliphilus.
Klassifizierung Die Methanogenese wird von Archaeen betrieben, die ursprünglich alle dem Reich Methanobacteriati (früher „Euryarchaeota“ i. w. S.) angehörig schienen (inzwischen wurden auch methanogene Vertreter der Thermoproteota gefunden). Die methanogenen Methanobacteriati werden in den Klassen Methanobacteria, Methanococci, „Methanomicrobia“ und Methanopyri geführt. Diese finden sich dabei in folgenden sechs Ordnungen: Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales, Methanomicrobiales, Methanosarcinales und Methanocellales. Hierbei ist Methanopyrales der stammesgeschichtlich älteste, Methanosarcinales dagegen der phylogenetisch jüngste Zweig. Die 2008 entdeckte sechste Ordnung (Methanocellales) geht auf im Boden von Reisfeldern vorkommenden Archaeen Methanocella paludicola und Methanocella arvoryzae zurück. Diese betreiben eine Methanogenese aus Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff. Methanoplasmatales, die mit den Thermoplasmatales verwandt sind, wurden in der Literatur als siebte Ordnung vorgeschlagen, dann aber umbenannt in Methanomassiliicoccales.
Methanopyrales, Methanobacteriales sowie Methanococcales zählt man zu den Klasse I-, Methanomicrobiales zu den Klasse II-Methanogenen. Methanosarcinales sind Klasse III-Methanogene.
Substratvielfalt mini|hochkant=1.5|Übersichtsschema der anaeroben Nahrungskette von Mikroorganismen, bei der im letzten Schritt Methan und Kohlenstoffdioxid durch archeaelle Methanogene entstehen. In vielen Habitaten sind Methanogene Endkonsumenten in der sogenannten „anaeroben Nahrungskette“. In dieser Kette werden zunächst Biopolymere wie Proteine und insbesondere Polysaccharide wie Cellulose über Oligomere in Monomere (beispielsweise Aminosäuren und Kohlenhydrate) gespalten. Lipide werden hierbei in ihre Komponenten (beispielsweise Fettsäuren) abgebaut. Danach vergären Bakterien diese Spaltprodukte zu einfachen Carbonsäuren (wie Formiat, Acetat, Propionat, Lactat und Succinat), zu Alkoholen (wie Ethanol, 2-Propanol und Butanol) und zu anderen niedermolekularen Verbindungen (H2, CO2 und kurzkettige Ketone). Syntrophe, acetogene Bakterien nutzen einen Teil dieser Verbindungen und setzen sie zu Acetat und C1-Verbindungen um. Im letzten Teil der anaeroben Nahrungskette, der Methanogenese, werden diese Verbindungen als Kohlenstoff-, Reduktans und Energiequelle verwendet, wobei CH4 und meistens CO2 freigesetzt werden.
Die meisten Methanogenen betreiben die Methanogenese mit Kohlenstoffdioxid (CO2) als Substrat, bei der Wasserstoff (H2) als primäres Reduktionsmittel verwendet wird. Man bezeichnet solche Methanogene als wasserstoffoxidierend oder hydrogenotroph. Zu den obligaten (ausschließlichen) Hydrogenotrophen zählen die Methanopyrales, Methanobacteriales, Methanococcales und Methanomicrobiales, die nur H2 und CO2 oder Ameisensäure (HCOOH) als Substrate für die Methanogenese nutzen. Eine Ausnahme unter den Methanomicrobiales ist Methanosphaera stadtmanae, die im menschlichen Verdauungstrakt vorkommt. Sie ist auf Methanol und Wasserstoff angewiesen, da sie nicht CO2 nutzen kann. Modellorganismen unter den Hydrogenotrophen sind Methanothermobacter thermautotrophicus und Methanocaldococcus jannaschii (ehemals Methanococcus jannaschii). In Methanomassiliicoccales wurden bisher keine diesbezügliche Methanogenese nachgewiesen. Die hydrogenotrophe Methanogenese tritt besonders in Sedimenten der Tiefsee sowie im Darm von Termiten, Menschen und Tieren auf. Das hierbei entstehende Methan trägt ca. 33 % zur jährlichen Methanproduktion auf der Erde bei. Kohlenstoffmonoxid (CO) kann nur von wenigen Arten für die Methanogenese genutzt werden. M. thermoautotrophicus und Methanosarcina barkeri bilden aus vier Molekülen CO drei Moleküle CO2 und ein Molekül Methan. Auch Methanosarcina acetivorans kann CO als Substrat verwenden, wobei parallel Acetat und Formiat gebildet werden. Diese Art der Acetogenese in Methanogenen bezeichnet man als carboxidotrophe Acetogenese. Die Methanosarcinales sind die vielseitigsten Methanogenen, sie können sehr unterschiedliche C1-Verbindungen für die Methanogenese verwenden. Neben CO2 + H2 nutzen viele Arten C1-Verbindungen, in denen der Kohlenstoff als Methylgruppe enthalten ist, wie Methanol, Methylamine (Mono-, Di-, Trimethylamin) und Methylthiole (Dimethylsulfid, Methanthiol). Methanosarcinales können aber nicht Ameisensäure umsetzen. Acetat (CH3COOH) ist die einzige C2-Verbindung, die für eine Methanogenese genutzt werden kann. Dazu sind – soweit bisher bekannt – nur die Gattungen Methanosaeta und Methanosarcina (Methanosarcinales) fähig. Man bezeichnet sie als acetoklastische Methanogene oder Acetoklaster. Bei dieser Art von Methanogenese wird Acetat in CO2 und CH4 gespalten. Obwohl Acetat nur von wenigen Archaeen für eine Methanogenese genutzt wird, trägt das dabei entstehende Methan mit 66 % zur jährlichen Methanproduktion auf der Erde bei. Damit ist die Methanbildung der Acetoklaster die größte biogene Quelle. Acetoklaster treten vor allem in Faultürmen/Biogasanlagen, Reisfeldern oder Sümpfen auf.